МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Ковалев С.И., Устюжанин Е.Е.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ

Лабораторная работа № 7 (1)

Измерение температуры в нестационарных условиях

Методическое пособие

по курсу

«Экспериментальные методы исследования »

Москва Издательство МЭИ 2002

УДК

536

Л125

УДК: 536.532.001.5(076.5)

Утверждено учебным управлением МЭИ

Ковалев С.И., Устюжанин Е.Е. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7. Методическое пособие по курсу «Экспериментальная теплофизика» / Под редакцией В.В. Махрова.- М.: Изд-во МЭИ, 2002.-14 с.

Содержатся указания для выполнения лабораторной работы. Отмечены особенности измерений температуры с помощью термопары в нестационарных тепловых условиях. Дано описание экспериментальной установки и метода для определения температуры потока с учетом тепловой инерции термопары.

Работа предназначена для студентов, обучающихся по направлению «Техническая физика» Института теплоэнергетики и технической физики Московского энергетического института.

Продолжительность работы 4 часа.

__________________

Ковалев Сергей Иванович, Устюжанин Евгений Евгеньевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7. Методическое пособие по курсу «Экспериментальные методы исследования»

ЛР N 020528 от 05.06.97

Редактор издательства Е. Н. Касьянова

Темплан издания МЭИ, 2001 (I), метод. Подписано к печати 27.04.02

Формат 60х84/16 Печ. л. 1,0 Тираж 100 Изд. N 114 Заказ 115

Издательство МЭИ, 111250, Москва, Красноказарменная д. 14

Типография ЦНИИ «Электроника», 117415, Москва, просп. Вернадского, д. 39

 Московский энергетический институт, 2002

Лабораторная работа № 7

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В НЕСТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЯХ

7.1. Цель работы

Целью настоящей работы является изучение метода измерения температуры вещества с помощью термопары при условии, когда температура среды быстро меняется.

7.2. Введение

Во многих научно-технических задачах возникает необходимость измерения температуры среды в условиях, когда отсутствует тепловое равновесие между термодатчиком и веществом. Например, требуется контролировать температуру в потоке теплоносителя, температура которого меняется во времени в форме пульсаций (турбулентный режим течения).

Для измерений температуры в таких случаях часто используется датчики, чувствительным элементом которых является термопара. На рис.1 показана схема термопары.

Рис.1. Схема термопары

Разнородные термопарные провода A и B соединяют на одном конце, при этом образуется рабочий спай термопары, который находится при температуре t . Рабочий спай называют также «горячим» спаем. Другие концы проводов A и B обычно соединяют с медными проводами М, при этом образуются «холодные» спаи, которые находятся при температуре t₀. При такой схеме на медных проводниках появляется разность потенциалов E, величина которой однозначно связана с разностью температур горячего и холодного спаев (эффект Зеебека)

, (7.1)

где

– термо-ЭДС,

– коэффициент Зеебека,

– разность температур горячего и холодного спаев.

Для измерения температуры в потоке жидкости используются термопарные зонды. В данной работе горячий спай термопары размещается на носике зонда в виде шарика, приваренного к дну металлической защитной оболочки. Такая конструкция показана на рис.2.

Рис.2. Конструкция горячего спая термопары

Температура спая t_сп, которая измеряется термопарой, отличается от температуры жидкости t_ж в точке, где выполняется измерение. Основными источниками погрешности термопарных измерений являются:

а) перетечки тепла от спая по проводам и по материалу оболочки;

б) тепловая инерция спая из–за его конечной теплоемкости.

В данной работе исследуется погрешность измерений, обусловленная тепловой инерцией, поскольку она оказывается существенной при измерениях в нестационарных условиях.

Рассмотрим следующий пример. Пусть требуется измерить пульсирующую температуру в некоторой точке среды. Среда может представлять собой, например, поток жидкости или газа с температурными неоднородностями. Если в этом случае применяется термопара с большой тепловой инерционностью, то будет получена сглаженная картина теплового процесса во времени, на которой не будет видно пиков и высокочастотных составляющих процесса.

На рис.3 показано, как в этом случае отличается показание термопары t_сп от истинной температуры среды t_ист в окрестности спая. Если инерционность применяемой термопары окажется слишком большой, то удастся измерить только среднее значение температуры t_ср .

Рис.3. Случайные температурные пульсации в среде ( а ) и сглаженный отклик термопары ( б )

В общем случае тепловая инерционность термопары зависит не только от теплоемкости материала (спая, оболочки и т.д.), но и от коэффициента теплоотдачи и скорости обтекания термопары жидкостью.

Эффекты инерционности термопары изучаются в данной работе при ступенчатом изменении температуры окружающей среды. До некоторого момента времени _o термопара находится в воздухе и имеет начальную температуру t_в , затем в момент времени _o термопара погружается в нагретую жидкость с температурой t_ж . В итоге регистрируемая температура горячего спая t_сп асимптотически стремится к значению t_ж .

Задачей настоящей лабораторной работы является:

• получение зависимости регистрируемой температуры спая t_сп от времени при ступенчатом изменении температуры среды;

• оценка времени , после которого регистрируемую температуру спая можно с заданной точностью считать совпадающей с температурой среды t_ж .